Abstract Major effectors of adult-stage fetal globin silencing include the transcription factors (TFs) BCL11A and ZBTB7A/LRF and the NuRD chromatin complex, although each has potential on-target liabilities for rational β -hemoglobinopathy therapeutic inhibition. Here through CRISPR screening we discover ZNF410 to be a novel fetal hemoglobin (HbF) repressing TF. ZNF410 does not bind directly to the γ -globin genes but rather its chromatin occupancy is solely concentrated at CHD4 , encoding the NuRD nucleosome remodeler, itself required for HbF repression. CHD4 has two ZNF410-bound regulatory elements with 27 combined ZNF410 binding motifs constituting unparalleled genomic clusters. These elements completely account for ZNF410’s effects on γ -globin repression. Knockout of ZNF410 reduces CHD4 by 60%, enough to substantially de-repress HbF while avoiding the cellular toxicity of complete CHD4 loss. Mice with constitutive deficiency of the homolog Zfp410 are born at expected Mendelian ratios with unremarkable hematology. ZNF410 is dispensable for human hematopoietic engraftment potential and erythroid maturation unlike known HbF repressors. These studies identify a new rational target for HbF induction for the β -hemoglobin disorders with a wide therapeutic index. More broadly, ZNF410 represents a special class of gene regulator, a conserved transcription factor with singular devotion to regulation of a chromatin subcomplex.

Abstract There is growing appreciation for the emergence of CAR neg bystander T cells after CAR-T cell infusion. However, their phenotypic and transcriptomic hallmarks and mechanisms of activation remain uncertain. We performed single-cell RNA-Seq (scRNA-Seq) on non-human primate (NHP) and patient-derived T cells to interrogate CAR neg T cells following B cell targeted CAR-T cell therapy. In a NHP model, we observed a distinct population of activated CD8+ CAR neg T cells emerging during CAR-T cell expansion. These bystander CD8+ CAR neg T cells exhibited a unique transcriptional signature with upregulation of NK-cell markers ( KIR3DL2, CD160, KLRD1 ), chemokines and chemokine receptors ( CCL5, XCL1, CCR9 ), and downregulation of naive T cell-associated genes ( SELL, CD28 ). A transcriptionally similar population was identified in patients following Tisangelecleucel infusion. Mechanistic studies revealed that IL-2 and IL-15 exposure induced bystander-like CD8+ T cells. These T cells efficiently killed leukemic cells through a TCR-independent mechanism. Together, these data identify bystander CD8+ T cells as a novel mechanism by which CAR-T cell infusion can induce further anti-leukemic activity, measurable in both NHP and in patients. Statement of Significance We have deeply interrogated CAR neg bystander CD8+ T cells during CAR-T cell expansion in non­human primates and patients receiving Tisangelecleucel to identify the unique transcriptomic signature defining these cells, and to determine that IL-2-and IL-15-induced cytotoxic bystander T cells are capable of killing in a TCR-independent manner. These data highlight the potential of bystander T cells for leukemia control and provide a critical foundation for their future analysis.

Resistance to asparaginase, an antileukemic enzyme that depletes asparagine, is a common clinical problem. We hypothesized, from the concept of synthetic lethality, that gain-of-fitness alterations in drug-resistant cells had conferred a survival advantage that could be exploited therapeutically. Using a genome-wide CRISPR/Cas9 screen, we found a synthetic lethal interaction between Wnt pathway activation and asparaginase in acute leukemias resistant to this enzyme. Wnt pathway activation induced asparaginase sensitivity in distinct treatment-resistant subtypes of acute leukemia, including T-lymphoblastic, hypodiploid B-lymphoblastic, and acute myeloid leukemias, but not in normal hematopoietic progenitors. Sensitization to asparaginase was mediated by Wnt-dependent stabilization of proteins (Wnt/STOP), which inhibits GSK3-dependent protein ubiquitination and degradation. Inhibiting the alpha isoform of GSK3 phenocopied this effect, and pharmacologic GSK3α inhibition profoundly sensitized drug-resistant leukemias to asparaginase. Our findings provide a molecular rationale for activation of Wnt/STOP signaling to improve the therapeutic index of asparaginase.

Abstract Notch signaling promotes T-cell pathogenicity and graft-versus-host disease (GVHD) after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT) in mice, with a dominant role for the Delta-like ligand DLL4. To assess if Notch’s effects are evolutionarily conserved and identify key mechanisms, we studied antibody-mediated DLL4 blockade in a non-human primate model similar to human allo-HCT. Short-term DLL4 blockade improved post-transplant survival with striking, durable protection from gastrointestinal GVHD, out of proportion to other disease sites. Unlike prior immunosuppressive strategies, anti-DLL4 interfered with a T-cell transcriptional program associated with intestinal infiltration. In cross-species investigations, Notch inhibition decreased surface abundance of the gut-homing integrin a4b7 in conventional T-cells via b1 competition for a4 binding, while preserving a4b7 in regulatory T-cells. Thereby, DLL4/Notch blockade decreased effector T-cell infiltration into the gut, with increased regulatory to conventional T-cell ratios early after allo-HCT. Our results identify a conserved, biologically unique and targetable role of DLL4/Notch signaling in GVHD. One Sentence Summary Notch signaling promotes pathogenic effector T cell infiltration of the intestine during acute graft-versus-host disease.

ABSTRACT One of the central challenges in the field of allo-immunity is deciphering the mechanisms driving T cells to infiltrate and subsequently occupy target organs to cause disease. The act of CD8-dominated T cell infiltration is critical to acute graft-versus-host disease (aGVHD), wherein donor T cells become activated, tissue-infiltrating and highly cytotoxic, causing wide-spread tissue damage after allogeneic hematopoietic stem cell transplant (allo-HCT). However, in human and non-human primate studies, deconvolving the transcriptional programs of newly recruited relative to resident memory T cells in the gastrointestinal (GI) tract has remained a challenge. In this study, we combined the novel technique of Serial Intravascular Staining (SIVS) with single-cell RNA-Seq (scRNA-seq) to enable detailed dissection of the tightly connected processes by which T cells first infiltrate tissues and then establish a pathogenic tissue residency program after allo-HCT in non-human primates. Our results have enabled the creation of a spatiotemporal map of the transcriptional drivers of CD8 T cell infiltration into the primary aGVHD target-organ, the GI tract. We identify the large and small intestines as the only two sites demonstrating allo-specific, rather than lymphdepletion-driven T cell infiltration. The donor CD8 T cells that infiltrate the GI tract demonstrate a highly activated, cytotoxic phenotype while simultaneously rapidly developing canonical tissue-resident memory (T RM ) protein expression and transcriptional signatures, driven by IL-15/IL-21 signaling. Moreover, by combining SIVS and transcriptomic analysis, we have been able to work backwards from this pathogenic T RM programing, and, for the first time, identify a cluster of genes directly associated with tissue invasiveness, prominently including specific chemokines and adhesion molecules and their receptors, as well as a central cytoskeletal transcriptional node. The clinical relevance of this new tissue invasion signature was validated by its ability to discriminate the CD8 T cell transcriptome of patients with GI aGVHD. These results provide new insights into the mechanisms controlling tissue infiltration and pathogenic CD8 T RM transcriptional programing, uncovering critical transitions in allo-immune tissue invasion and destruction. One sentence summary Flow cytometric and transcriptomic analysis reveals coordinated tissue-infiltration and tissue-residency programs driving gastrointestinal aGVHD.

Abstract T cell receptor clonotype tracking is a powerful tool for interrogating T cell mediated immune processes. New methods to pair a single cell’s transcriptional program with its T cell receptor (TCR) identity allow monitoring of T cell clonotype-specific transcriptional dynamics. While these technologies have been available for human and mouse T cells studies, they have not been developed for Rhesus Macaques, a critical translational organism for autoimmune diseases, vaccine development and transplantation. We describe a new pipeline, ‘RM-scTCR-Seq’, which, for the first time, enables RM specific single cell TCR amplification, reconstitution and pairing of RM TCR’s with their transcriptional profiles. We apply this method to a RM model of GVHD, and identify and track in vitro detected alloreactive clonotypes in GVHD target organs and explore their GVHD driven cytotoxic T cell signature. This novel, state-of-the-art platform fundamentally advances the utility of RM to study protective and pathogenic T cell responses.